直流输电控制系统ppt课件.ppt
HVDC控制系统二0一0年三月四日,一,直流输电基本原理,目 录,二,三,直流输电基本控制策略,直流输电辅助频率控制,一、直流输电基本原理,HVDC输电系统的分类,两端HVDC输电系统：由两个换流站组成的直流输电系统。,类型：两端直流输电系统，多端直流输电系统,单极类：一线一地制、两线制,一线一地制,两线制,HVDC输电系统的分类,双极类：两线一地制、两线制、三线制,两线一地制,两线制,三线制,Id,Id,HVDC输电系统的分类,同极类：两线一地制,三线一地制,HVDC输电系统的分类,背靠背(Back-to-Back)：单极类、双极类、同极类,特点：没有直流线路的HVDC系统。,适用性 两个不同额定频率交流系统的互联,HVDC输电系统的分类,一、主要元件,HVDC的主要元件,2.换流器 功能：将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电的设备。,其中：整流器（Rectifier）-将交流电转换成直流电的 换流器。,逆变器（Inverter）-将直流电转换成交流电的 换流器。,1.换流变压器：功能：电压配合、隔离、抽头调节改善运行性能。,HVDC的主要元件,3.平波电抗器：功能：滤波、限流、防止电流断续、降低过电 压、防止换相失败等。4.直流滤波器：功能：滤波。5.交流滤波器：功能：滤波、无功补偿。,HVDC的主要元件,图1.2 三相全波桥式换流电路原理图,M,N,V1,V3,V5,V4,V6,V2,A,B,C,上 半 桥/共阴极半桥,下 半 桥/共阳极半桥,HVDC的基本原理,几个概念,（1）控制角（也叫移相角）：从晶闸管开始承受正向电压，到其加上触发脉冲的这一段时间所对应的电角度（0t1）。,（2）导通角 晶闸管在一个周期内导通的电角度（t1）。,（3）移相 改变控制角的过程，即改变触发脉冲出现的时刻的过程。这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,HVDC的基本原理,一.电阻性负载,t1t2：在t1时刻，给VT1加触发脉冲，满足其导通的两个条件，假设此时共阳极组阴极电位最低的晶闸管VT6已导通。,t2t3：u相相电压uu仍是最高，w相相电压uw为最负，在2点，给晶闸管VT2加触发脉冲，使其导通。,任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态,t3 t4：VT3和VT2导通，ud=uvwt4 t5：VT4和VT3导通，ud=uvut5 t6：VT5 和VT4导通,ud=uwut6 t7：VT6 和VT5导通,ud=uwv,不同角时的输出波形,导通时间比=0时推迟了30,正负各120的对称的波形。,ud波形出现了零点,是一临界情况,VT1导通,电阻性负载，只要60，ud和id 的波形就是连续的。,VT4导通,角的移相范围是0 120,当60时ud的波形就出现断续 了,每个线电压输出小于60,VT1导通,VT4导通,iv、iw的波形与iu波形形状一致，只是相位依次相差。,HVDC的基本原理,小结当a60时，ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a60时，ud波形中有一段为零，ud波形不能出现负值带电阻负载时三相桥式全控整流电路a 角的移相范围是0 120,HVDC的基本原理,二.阻感性负载,1.电路,2.原理,与电阻负载不同,与电阻负载相同,临界情况，即ud正好没有负电压的输出。,3.数量关系,（1）直流输出电压的平均值Ud,（2）直流输出电流的平均值Id,（3）有效移相范围（电感）是,HVDC的基本原理,三相全波桥式整流电路小结：,1.电路需有两只晶闸管同时导通，各120换相一次。,2.六只晶闸管依次导通，顺序与下标同。,3.脉冲间隔为60。,4.输出电压波形每周期脉动6次，基波频率为300Hz。,HVDC的基本原理,变压器漏感对整流电路的影响,变压器绕组上总是存在有一定的漏感的，交流回路也会有一定的自感，电流的换相是不可能在瞬时完成的，而要有一个过程，即经过一段时间，这个过程就称为换相过程。换相过程对应的时间常用相应的电角度来表示，称为换相重叠角，用来表示。,HVDC的基本原理,一.换流期间的整流输出电压ud,电流换相的过程中，两相的晶闸管都导通，相当于两相短路，两相之间的电位差（瞬时值）即为短路电压用uk表示如,变压器漏感对整流电路的影响,HVDC的基本原理,换相期间换流回路的电压方程式为,换相期间的整流输出电压的瞬时值ud就变为,二.换相压降的计算,XT是变压器每相折算到二次侧的漏抗，且XT=LT,HVDC的基本原理,三相全波桥式逆变电路波形,HVDC的基本原理,逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。,逆变失败与最小逆变角的限制,当换流器作逆变运行时，从被换相的阀电流过零算起，到该阀重新被加上正向电压为止这段时间所对应的角度称之为熄弧角，又叫关断角。如果熄弧角太小，以致于晶闸管来不及完全恢复其正向阻断能力，又重新被加上正向电压，它就会重新不触发而导通，于是将发生倒换相的过程，其结果将使应该导通的阀关断，而应该关断的阀却继续导通，这称之为换相失败。,换相失败的原因,1.触发电路的原因 脉冲丢失、脉冲分布不均匀,2.晶闸管本身的原因,3.交流电源方面的原因 缺相、电源突然断电、电网电压波动使同步电压波动,造成脉冲丢失。,4.逆变角太小,(换相重叠角),正常。,若:如=0时换流还没有结束，前一相继续导通，换相失败。,双极12脉冲换流器两端直流输电系统如图所示：,图1.3 双极12脉冲两端直流输电系统,HVDC的基本原理,HVDC的基本原理,直流线路电流,HVDC的基本原理,HVDC的基本原理,在整流侧，Pi、Qi方向指向直流换流变压器；在逆变侧，Pj方向指向交流系统，Qj方向指向换流变压器。这表明，无论有功功率方向如何，交流系统总是向直流系统提供无功功率。,考虑整流侧和逆变侧交流母线处无功补偿容量，实际注入到交流电网的无功功率为,HVDC的基本原理,二、直流输电基本控制策略,高压直流控制系统的目的，是在保持每个极的最大独立性和不危及设备安全的条件下，对功率方向、功率的大小和变化速度提供有效并具有最大灵活性的控制。该控制系统应具有相当高速的控制性能，它能够对交流系统和直流系统的扰动作出很好的响应。控制系统应使高压直流系统消耗的无功功率最少。它还应能适应以下情况：1)增加并控制无功功率消耗，必要时还可控制交流电压；2)频率控制；3)有功功率调制；4)有功功率和无功功率联合调制；5)次同步谐振（SSR）的阻尼；6)远方控制。,直流输电基本控制策略,保持直流功率、电压、电流和控制角在稳态值范围内；限制暂态过电压和过电流；交直流系统故障后，在规定的响应时间内平稳地恢复送电。,直流控制系统的主要作用:,直流输电基本控制策略,控制策略：1、当两侧交流系统中的电压波动不大时，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。,直流输电基本控制策略,直流输电系统的控制的本质：控制其传输的功率。,2、为了快速、精确地调节功率，整流侧采用定电流控制(或定功率控制)，逆变侧采用定直流电压控制。目的：实现对直流电流和直流电压的直接控制。目标：控制直流系统传输的有功功率和两侧换流器消耗的无功功率。,直流输电基本控制模块：低压限流控制(VDCOL)定电流控制(CCA)定熄弧角控制(AMAX)定电压控制(VCAREG)辅助控制模块：分接头控制(TCC)无功功率控制(RPC),直流输电基本控制策略,图2.1 逆变侧控制器结构图,直流输电基本控制策略,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,直流输电基本控制策略,低压限流控制,低压限流环节的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指令值时对直流电流指令进行限制。它的作用主要表现在如下几个方面：防止在直流系统发生换相失败等故障时某一换流阀长时间流过太大的电流而损坏；通过降低直流电流减少换流器吸收的无 功，帮助交流母线电压的恢复；实现平稳快速的故障后恢复静态特性见图,直流输电基本控制策略,定电流控制,在极控制功能中定电流控制应用最为广泛。定电流控制的控制框图如图所示.在整流侧，定电流控制器的输入量是电流整定值TM3与实际电流TM4的偏差，由于这个偏差驱动PI调节器得到的输出即作为触发角的相关信号，通常PI调节器的输出就是直接作为触发延迟角的指令值,直流输电基本控制策略,定电流控制,在逆变侧，定电流控制器的整定值比整流侧小一个电流裕额，因此在正常情况下，实际电流大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制总是按照减小直流电流的方向调节，因此 角总被调节到其最大限制值，从而在逆变侧三个控制器输出选择中定电流控制器的输出总被排除在外。只有当实际直流电流小于逆变侧电流整定值时，逆变侧的定电流控制器的输出才可能在三个控制器输出中被选中。,直流输电基本控制策略,定电压控制,在整流和逆变方式下都设置了定电压控制功能模块，这个控制器的功能是用于降压运行，但它也有利于正常方式运行，其控制也采用的是PI调节方式。,直流输电基本控制策略,定熄弧角控制,绝大多数直流工程的熄弧角定值都在1518的范围内，熄弧角这一变量可以直接测量，却不能直接控制，只能靠改变换流器的触发角来间接调节。熄弧角不仅与逆变侧触发角有关，还取决于换相电压和直流电流的大小。,直流输电基本控制策略,定熄弧角控制,工程上实际应用的定熄弧角控制有两种类型，一种是闭环控制，也称为实测型控制，另一种是开环控制，也称为预测型控制。实测型控制根据换流阀的电流过零点信号和换相电压的过零点信号来确定实测的熄弧角，并与触发角的参考值进行比较，根据其偏差进行PI调节；预测型控制根据直流系统的实际运行参数（如直流电压、电流等）计算出要满足为参考值时所需的触发角，然后按照此触发角对逆变侧进行触发控制，其实质是一开环控制。ABB的控制系统多采用开环调节方式。,直流输电基本控制策略,定熄弧角控制,逆变侧直流电压可以写为：,对于定 运行，直流电压将反比与直流电流的变化，逆变侧在低频下具有负阻抗特性，为了提高系统的稳定性，人为的增加这样一条曲线：,此时直流电压正比与直流电流的变化，即图2.2所示的正斜率的那一段,直流输电基本控制策略,定熄弧角控制,为了获取逆变侧触发角，逆变侧直流电压又可表示为：,将两式合并有：,直流输电基本控制策略,分接头控制,分接头控制作为直流输电输送功率的辅助手段对于协调控制器运行以及提高交直流系统的稳定性有着重要的作用。分接头控制的目的是保持触发角、熄弧角、直流电压 运行在指定范围内，分接头控制的特点是调节速度比较慢(35s调整一步)。,直流输电基本控制策略,当直流电压和直流电流发生偏移或运行人员改变直流输送功率以后,由于定电流控制的作用,整流侧触发角将发生很大变化。当过大时,整流器所消耗的无功功率和直流电压中的谐波分量将显著增大;而当角太小时,又将缩小可控制的范围。因此此时通常需要应用切换整流侧换流变压器分接头来协助控制角,使它接近于正常值15。对于逆变侧，同样如此，保证熄弧角和直流电压在正常值范围内。,分接头控制,直流输电基本控制策略,当整流侧采用定电流控制时，通过调节换流变压器分接头的位置，把换流器触发角维持在指定的范围（152.5）；在逆变侧，通过调整换流变压器分接头位置，把逆变侧熄弧角维持在指定的范围内（182.5），电压限制在电压参考值附近，当触发角瞬时超过限定范围时，分接头不动作，以免分接头调节频繁动作。只有当触发角连续超过限定范围的时间大于时滞时间时，才允许启动分接头调节。,分接头控制,无功功率控制,无功功率补偿设备包括交流滤波器，并联电容器，并联电抗器，以及针对弱系统所配置的同步调相机或静止无功补偿装置。交流滤波器具有双重功能，不仅可以滤除换流站发出的大量谐波，还可以作为基频下的无功功率补偿装置，并联电容器提供一部分无功补偿容量。不同的直流工程，滤波器和电容器分成几组，由电力开关进行投切，这适用于对换流站交流母线电压不需要快速控制的场合。,直流输电基本控制策略,电容器组和滤波器组无功功率补偿容量可由式计算得出：,C:为电容器滤波器组等效电容,从上式可以看出，无功功率消耗与触发角有着密切的关系，而触发角与交流电压及换流变压器分接头位置有着密切的关系。此外，换流变压器阻抗的变化及传输线阻抗的变化也对无功功率有着重要的影响。,直流输电基本控制策略,无功功率控制目的：通过投切交流滤波器组或电容器组实现交直流无功功率交换的平衡或者交流母线电压的稳定。目前大多数直流工程均采用投切电容器或滤波器组的方式进行无功功率控制。,投切电容器或滤波器组会造成换流站交流母线的过电压，特别是弱交流系统，过电压现象更加明显，这就决定了最大滤波器组的投切容量。,最大滤波器组产生过电压的计算式：,为投切滤波器组的无功补偿容量,为交流系统的短路容量,为投切后并联于交流母线总的无功补偿容量,直流输电基本控制策略,交流母线的过电压，除了与最大滤波器组有关外，还与投切滤波器组后直流系统的控制策略有关。此外，不同的直流工程其对过电压的要求也不一样，需要结合实际的工程进行整定。,当无功补偿的最大滤波器电容器组确定后，可通过交直流系统的无功功率或换流站交流母线电压进行滤波器电容器组的投切控制。计算条件如下：,无功功率控制策略,为预先设定的控制死区，其应大于最大滤波器电容器组的补偿容量，从而避免了开关投切动作的频繁启动及控制的不稳定,直流输电基本控制策略,直流传输功率也可以作为电容器滤波器组无功投切的控制策略，允许人员通过事先设定好无功功率及有功功率的关系曲线，将其存储于直流控制器中。,直流输电基本控制策略,无功功率控制作为与站控系统相关的控制功能，一般与直流站控制系统相配合。通过适当的控制，换流站可作为动态无功调节装置，从而对交流系统电压稳定起支撑作用力。由于换流站快速联系的控制调节特点，它可用来控制交直流系统暂态情况下的无功功率交换。为了进行换流站的无功功率快速动态调节，稳态工作时的熄弧角应大于最小熄弧角。控制角的裕度由阀组应力、无功补偿容量裕度以及其它实际工程约束条件来进行合理选择。,直流输电基本控制策略,直流输电基本控制策略,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,直流输电基本控制策略,图2.2中直线段HH、HC为逆变侧的控制特性。其中HC为恒电流段；HH为定熄弧角段，HH段的方程式为：,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,在正常运行状态下，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制，即直流系统运行于A点，通过调节分接头维持整流侧触发角 和逆变侧 在正常范围内。如果整流侧电压下降，整流侧定电流控制器输出到换流站的触发角将减小维持直流电流恒定，即控制曲线1向下平移。,直流输电基本控制策略,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,当触发角被调节到其下限 时，此时整流侧被限制在定 控制曲线上，即GH曲线。随着整流侧交流电压的降低，控制曲线GH向下平移，直流系统将运行于B、C各点。C点为整流侧定，逆变侧定电流控制特性的交点，此时：,直流输电基本控制策略,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,如果逆变侧交流电压下降而整流侧交流电压保持正常时，运行点移动到D点，它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定熄弧角下移控制特性的交点。,直流输电基本控制策略,图2.2 华中高压直流控制系统特性曲线,2和3两条平行的曲线为逆变侧电压控制曲线，电压控制曲线主要用于降压方式，其也有利于正常运行方式。因为在正常运行方式下，电压控制器的参考值为 正常电压的1.25p.u,当交流系统过电压时，电压控制器动作，有效抑制电压升高，并防止直流过电压给阀造成影响。2曲线为正常运行曲线，3曲线为降压运行曲线。,直流输电基本控制策略,图2.3.直流输电模拟框图,直流输电基本控制策略,直流输电基本控制策略,直流输电基本控制策略,（4）若由于整流侧电压降低或逆变侧电压升高造成Id实际值过小，整流侧 过小，定电流控制器输出达到其限值，此时整流侧定电流控制器将不能继续维持，造成 Id减少。与此同时，若Id减少到使逆变侧 0;则逆变侧通过输出角选择将选中定电流控制器的输出角作为触发延迟角输出。这种方式就是整流侧运行于最小触发角，逆变侧运行于定电流的调节方式。,直流输电基本控制策略,直流输电仿真,从图中可以发现，系统在正常稳态运行下，直流电压、直流电流和传输功率均为额定值且无波动。整流侧触发角（alpha）曲线与定电流控制器输出角alphaI=0.2618（约15）曲线重合，可知整流侧运行于定电流控制，定电压控制器输出角alphaV=0.08727，约5，此角度为整流侧触发角的下限。由于在逆变侧，定电流和定电压控制器输出角曲线重合，其为逆变侧触发角输出上限，可知逆变侧触发角Alpha与逆变侧定熄弧角控制器的输出角曲线重合，逆变侧运行于定熄弧角控制的运行方式；且整流和逆变触发角值未发生变化，整流侧和逆变侧交流母线电压也保持平稳。,降压运行,在t=0秒设置逆变侧直流电压参考值 0.8，使得系统降压运行；t=16秒时，调整到1.0。,直流输电仿真,降压运行时，直流电流基本保持定值，直流电压及时跟踪电压整定值的变化，直流输送功率跟随直流电压下降，换流站消耗的无功功率Qci/Qcj增加；降压运行时，整流侧触发角接近0.6（约30），在t=3秒时，整流侧和逆变侧的分接头以及无功补偿向上调节一步，整流侧触发角有下降趋势，由于降压运行持续时间较长，而流入到交流系统的无功量较多，因此整流侧和逆变侧无功补偿装置每隔三秒动作一次，来降低流入交流系统的无功功率量。降压运行结束后，整流侧和逆变侧触发角迅速恢复到稳定值。两侧交流系统电压有波动，但波动幅度不是很大，波动在稳定范围以内。,逆变侧交流三相短路故障,在t=6s时，逆变侧交流母线处发生三相短路接地故障，故障持续时间为0.1s。在此仿真过程中，三相短路接地电阻为零，逆变侧直流系统发生换向失败。,单极闭锁,在t=5秒时，直流系统发生单极闭锁故障,从图可以看出，在5秒时直流系统发生单极闭锁，直流输送功率减半，整流侧和逆变侧交流母线电压有个小的波动，但很快达到稳定状态；整流站和逆变站的控制器及时跟踪直流系统的变化，控制效果良好。从图中也可以看出交流母线电压在3秒时有个波动，那是因为逆变侧无功补偿装置动作，向逆变侧交流系统注入了无功，引起逆变侧交流母线电压升高，此时注入到交流系统的无功量明显的减少。,三、直流输电辅助频率控制,目前，我国己建和在建的HVDC线路都是按定功率设计来运行的。定功率方式在隔绝两侧交流系统的相互影响方面有一定的优越性。但定功率运行也同时牺牲了两侧交流系统在发生事故时的相互紧急支援的能力。在国外的HVDC工程中，利用直流功率调制对两侧交流系统进行辅助频率控制(AFC)已成为一种趋势。欧洲及美国运行经验表明，在HVDC线路安装辅助频率控制器在经济性上具有以下优点:利用HVDC的快速调节能力有助于防止系统频率崩溃的发生，减少低频减载带来的国民经济损失；有利于全网的水、火电共同参与频率调节，充分利用了各个区域网络中的水电调频容量。,直流功率调制是AFC的基础。考虑HVDC作为两交流系统之间的联络线这种最普遍的接线方式，加装直流功率调制后的HVDC系统结构可用图表示,为综合两侧控制器发出的调制指令后最终向主控站发出的调制电流指令;,直流功率调制的功能主要由其反馈的交直流状态变量决定，选择合适的状态变量可以实现辅助频率控制、辅助电压控制、抑止低频振荡和次同步振荡等功能。,辅助频率控制,辅助频率控制是在两侧直流换流站分别设计了一个带死区的PI调节器。两站的辅助频率控制器的传递函数方程为:,为整流侧辅助控制器响应电网频率变化后发出的调制指令,为综合两侧控制器发出的调制指令后最终向主控站发出的调制电流指令;,和 为整流侧和逆变侧辅助频率控制器的调节死区。,仿真分析,在1秒时整流站的交流母线附近发生三相短路故障，故障持续时间为0.1秒,从图中可以看到，当换流站母线处发生三相短路故障时，换流站附近即格燃电站的发电机功角在无辅助频率控制的作用下摆动较大；当辅助频率控制起作用时，格燃电站的功角的整体摆动幅度得到抑制，且有较强的阻尼特性，特别是第二摆的角度减少了十度多，控制特性良好。,故障的发生引起交流母线频率的波动，由于其波动量较大,AFC动作增加直流输送功率；当故障切除后，换流站母线频率逐步趋于稳定范围，直流传输功率跟随频率的变化，在故障发生4秒钟后，直流输送功率恢复到计划的传输功率量，达到了稳定两侧频率的目的。,谢 谢！,
